Hệ thống chuyển hóa cơ trong tập luyện thể thao

Các hệ thống trao đổi chất cơ bản giống nhau đang hiện diện trong cơ như trong các phần khác của cơ thể. Tuy nhiên, việc định lượng đặc biệt về hoạt động của ba hệ thống trao đổi chất là cực kỳ quan trọng trong việc tìm hiểu các giới hạn của hoạt động thể chất. Các hệ thống này bao gồm (1) hệ thống Phosphocreatine-creatine, (2) hệ thống axit glycogen-lactic, và (3) hệ thống hiếu khí.

Adenosine Triphosphate

Các nguồn năng lượng thực tế sử dụng để gây ra sự co cơ là adenosine triphosphate (ATP), trong đó có các công thức cơ bản sau đây:

Adenosine-PO3 ~ PO3 ~PO3-

Các liên kết gắn hai gốc phosphate cuối cùng để các phân tử, được định rõ bởi các biểu tượng ~, là liên kết phosphate năng lượng cao. Mỗi liên kết này dự trữ 7300 calo năng lượng trên mỗi mol ATP trong điều kiện tiêu chuẩn (và thậm chí còn thấp hơn theo những điều kiện vật chất trong cơ thể).

Vì vậy, khi một gốc phosphate được tách ra, hơn 7300 calo năng lượng được giải phóng để nạp năng lượng cho quá trình co cơ. Sau đó, khi gốc phosphate thứ hai tách ra, vẫn còn 7300 calo khác trở nên có sẵn. Loại bỏ phosphate đầu tiên chuyển ATP thành adenosine diphosphate (ADP), và loại bỏ phosphate thứ hai chuyển đổi ADP thành adenosine monophosphate (AMP).

Toàn bộ ATP hiện diện trong cơ bắp, thậm chí ở một vận động viên được đào tạo tốt, có đủ để duy trì sức mạnh cơ tối đa chỉ khoảng 3 giây, mà có thể là đủ cho một nửa của cuộc chạy ngắn 50 mét. Vì vậy, ngoại trừ một vài giây tại một thời gian, nó là điều cần thiết mà ATP mới được hình thành liên tục, ngay cả trong việc thực hiện các sự kiện thể thao ngắn. Hình cho thấy các hệ thống trao đổi chất tổng thể, thể hiện sự phân hủy của ATP đầu tiên cho đến ADP và sau đó đến AMP, với việc giải phóng năng lượng cho cơ bắp co lại. Hình vẽ bên tay trái cho thấy ba hệ thống chuyển hóa tạo ra một nguồn cung cấp liên tục của ATP trong các sợi cơ.

Hệ thống Phosphocreatine-Creatine

Phosphocreatine (còn gọi là creatine phosphate) là một hợp chất hóa học có một liên kết phosphate năng lượng cao, với công thức sau đây:

Creatine ~ PO3 -

Hình: Những hệ thống chuyển hóa quan trọng cung cấp năng lượng cho sự co cơ

Phosphocreatine có thể phân hủy thành creatine và ion phosphate, như thể hiện trong hình, và khi làm như vậy giải phóng một lượng lớn năng lượng. Trong thực tế, các liên kết phosphate năng lượng cao của Phosphocreatine có nhiều năng lượng hơn so với liên kết của ATP: 10.300 calo mỗi mol so với 7300 cho liên kết của ATP. Vì vậy, Phosphocreatine có thể dễ dàng cung cấp đủ năng lượng để khôi phục lại liên kết năng lượng cao cho ATP. Hơn nữa, hầu hết các tế bào cơ bắp có lượng phosphocreatine gấp 2-4 lần so với ATP.

Một đặc điểm đặc biệt của sự chuyển đổi năng lượng từ phosphocreatine thành ATP là nó xảy ra trong vòng một phần nhỏ của một giây. Do đó, tất cả năng lượng được lưu trữ trong cơ dưới dạng Phosphocreatine là gần như ngay lập tức có sẵn cho sự co cơ, cũng như là năng lượng được lưu trữ trong ATP.

Sự kết hợp của tổng tế bào ATP và tế bào phosphocreatine được gọi là hệ thống năng lượng phosphagen. Những chất này cùng với nhau có thể cung cấp năng lượng cho cơ tối đa trong 8-10 giây, gần như đủ để chạy 100 mét. Vì vậy, năng lượng từ hệ thống phosphagen được sử dụng cho những gắng sức ngắn tối đa của sức mạnh cơ.

Hệ thống Acid Glycogen-lactic

Glycogen dự trữ trong cơ có thể được tách thành glucose và glucose sau đó có thể được sử dụng cho năng lượng. Giai đoạn đầu của quá trình này, được gọi là đường phân, xảy ra mà không cần sử dụng oxy và, do đó, được cho là chuyển hóa kỵ khí. Trong suốt quá trình đường phân, mỗi phân tử glucose được chia thành hai phân tử axit pyruvic, và năng lượng được giải phóng để tạo thành 4 phân tử ATP cho mỗi phân tử glucose ban đầu.

Thông thường, các acid pyruvic sau đó đi vào ty thể của tế bào cơ và phản ứng với oxy để tạo thành nhiều phân tử ATP hơn. Tuy nhiên, khi không có đủ oxy cho giai đoạn thứ hai (giai đoạn oxy hóa) của quá trình chuyển hóa glucose xảy ra, hầu hết các axit pyruvic sau đó được chuyển đổi thành axit lactic, khuyếch tán ra khỏi các tế bào cơ bắp vào dịch kẽ và máu. Do vậy, nhiều glycogen trong cơ bắp được chuyển thành axit lactic, nhưng làm như vậy, một lượng đáng kể ATP được hình thành hoàn toàn không tiêu thụ oxy.

Một đặc điểm khác của hệ thống axit glycogen-lactic là thể tạo ra các phân tử ATP nhanh chóng gấp khoảng 2,5 lần so với cơ chế oxy hóa của ty thể. Do vậy, khi lượng lớn ATP được yêu cầu để co cơ trong thời gian ngắn đến vừa phải, cơ chế đường phân kỵ khí có thể được sử dung như là một nguồn năng lượng nhanh chóng. Tuy nhiên, chỉ nhanh bằng một nửa so với hệ thống phosphagen. Dưới điều kiện tối ưu, hệ thống axit glycogen-lactic có thể cung cấp 1,3-1,6 phút hoạt động cơ tối đa ,thêm vào đó là 8-10 giây cung cấp bởi các hệ thống phosphagen, mặc dù phần nào làm giảm sức mạnh cơ.

Hệ thống hiếu khí

Hệ thống hiếu khí là quá trình oxy hóa các chất trong ty thể để cung cấp năng lượng. Nghĩa là, như thể hiện trong hình, glucose, acid béo và acid amin từ thực phẩm sau khi qua một số quá trình trung gian - kết hợp với oxy để giải phóng lượng lớn năng lượng được sử dụng để chuyển đổi AMP và ADP thành ATP.

So sánh việc cung cấp năng lượng theo hệ thống hiếu khí với hệ thống axit glycogen-lactic và các hệ thống phosphagen, tỷ lệ năng lượng chung tối đa về số mol ATP mỗi phút được đưa ra dưới đây:

Khi so sánh những hệ thống này về sự kéo dài , các giá trị tương đối được đưa ra sau đây:

Vì vậy, có thể dễ dàng thấy rằng hệ thống phosphagen được sử dụng bởi các cơ để đẩy năng lượng cơ trong một vài giây và hệ thống hiếu khí là cần thiết cho hoạt động thể thao kéo dài. Ở giữa là hệ thống axit glycogen-lactic, đặc biệt quan trọng trong việc cung cấp thêm sức mạnh trong cuộc đua trung bình từ 200m đến 800m chạy.

Những loại thể thao nào sử dụng hệ thống năng lượng nào?

Bằng cách xem xét sức mạnh của một hoạt động thể thao và thời gian của nó, có thể đánh giá tỉ mỉ các hệ thống năng lượng được sử dụng cho từng hoạt động. Những phép tính xấp xỉ khác nhau.

Bảng Những hệ thống năng lượng được sử dụng trong thể thao

Phục hồi hệ thống chuyển hóa cơ sau khi tập luyện

Trong cùng một cách mà năng lượng từ phosphocreatine có thể được sử dụng để tái tạo lại ATP, năng lượng từ hệ thống axit glycogen-lactic có thể được sử dụng để tái tạo cả Phosphocreatine và ATP. Năng lượng từ sự trao đổi chất oxy hóa của hệ thống hiếu khí có thể sau đó được sử dụng để tái tạo tất cả các hệ thống khác -ATP, phosphocreatine, và hệ thống axit glycogen-lactic. Sự tái tạo của hệ thống axit lactic có ý nghĩa chủ yếu là việc loại bỏ các axit lactic dư thừa tích tụ trong dịch cơ thể. Loại bỏ các axit lactic thừa là đặc biệt quan trọng bởi vì axit lactic gây mệt mỏi cùng cực. Khi đủ số năng lượng có sẵn từ sự trao đổi chất oxy hóa, loại bỏ các axit lactic được thực hiện theo hai cách: (1) Một phần nhỏ của nó được chuyển đổi trở lại thành acid pyruvic và sau đó chuyển hóa oxi hóa của các mô cơ thể, và (2) axit lactic còn lại được chuyển đổi lại thành glucose chủ yếu trong gan, và lượng glucose này được bổ sung thêm vào dự trữ glycogen của cơ.

Phục hồi hệ thống hiếu khí sau khi tập luyện

Ngay cả trong giai đoạn đầu của bài tập nặng, một phần năng lượng hiếu khí của một người có thể bị cạn kiệt. Sự cạn kiệt này là kết quả từ hai ảnh hưởng: (1) được gọi là nợ oxy và (2) sự suy giảm dự trữ glycogen của cơ.

Hình. Tốc độ hấp thu oxy tại phổi khi tập luyện tối đa trong 4 phút và sau khoảng 40 phút sau khi tập luyện kết thúc. Hình này giải thích nguyên lí nợ oxy.

Nợ oxy

Cơ thể thường chứa khoảng 2 lít oxy dự trữ, co thể được sử dụng cho quá trình chuyển hóa hiếu khí ngay cả khi không hít bất kì oxy mới nào. Dự trữ oxy bao gồm những điều sau đây: (1) 0,5 lít trong không khí tại phổi, (2) 0,25 lít hòa tan trong dịch cơ thể, (3) 1 lít kết hợp với hemoglobin của máu, và (4) 0,3 lít được lưu trữ trong các sợi cơ, kết hợp chủ yếu với myoglobin, cơ chế gắn oxy tương tự với hemoglobin.

Trong bài tập nặng, hầu như tất cả oxy dự trữ này được sử dụng trong vòng một phút hoặc lâu hơn cho sự chuyển hóa hiếu khí. Sau đó, sau khi tập luyện kết thúc, oxy dự trữ phải được bổ sung bằng cách hít thở thêm nhiều oxy , trên mức yêu cầu thông thường. Thêm vào đó, khoảng hơn 9 lít oxy trở được tiêu thụ để khôi phục cả hệ thống phosphagen và hệ thống axit lactic. Tất cả oxy thêm này phải “trả” khoảng 11,5 lít, được gọi là nợ oxy.

Hình cho thấy nguyên tắc này của nợ oxy. Trong 4 phút đầu tiên , như mô tả trong Hình vẽ , người tập nặng , và tốc độ hấp thụ oxy tăng hơn 15 lần. Sau đó , ngay cả sau khi tập luyện kết thúc, sự hấp thu oxy vẫn còn trên mức bình thường; đầu tiên là rất cao khi cơ thể được tái lập hệ thống phosphagen và hoàn trả phần oxy lưu trữ của nợ oxy, và sau đó nó vẫn là trên mức bình thường mặc dù ở mức thấp trong 40 phút tiếp khi axit lactic được loại bỏ. Phần đầu của nợ oxy được gọi là nợ oxy alactacid và chiếm khoảng 3,5 lít. Phần sau được gọi là nợ oxy axit lactic và chiếm khoảng 8 lít.

Phục hồi Glycogen trong cơ

Phục hồi từ suy kiệt hoàn toàn glycogen trong cơ không phải là một vấn đề đơn giản.

Quá trình này thường đòi hỏi ngày, chứ không phải là giây, phút, giờ cần thiết cho sự phục hồi của hệ thống trao đổi chất axit lactic và phosphagen . Hình cho thấy quá trình phục hồi này theo ba điều kiện: đầu tiên, ở những người tiêu thụ một chế độ ăn giàu carbohydrate; thứ hai, ở những người tiêu thụ một lượng chất béo cao, chế độ ăn giàu protein; và thứ ba, ở những người không tiêu thụ thức ăn. Lưu ý rằng đối với những người tiêu thụ một chế độ ăn giàu carbohydrate, phục hồi hoàn toàn xảy ra trong khoảng 2 ngày. Ngược lại, những người tiêu thụ một lượng chất béo cao, chế độ ăn uống giàu protein hoặc không có thức ăn được nêu trên rất ít phục hồi thậm chí ngay cả sau chừng 5 ngày.

Thông điệp của sự so sánh này là (1) điều quan trọng là vận động viên phải tiêu thụ một chế độ ăn giàu carbohydrate trước khi một sự kiện thể thao căng thẳng và (2) các vận động viên không nên tham gia tập thể dục đầy đủ trong vòng 48 giờ trước những sự kiện này.

Hình. Ảnh hưởng của chế độ ăn đến tốc độ hồi phục glycogen trong cơ sau tập luyện kéo dài.

Hình. Ảnh hưởng của thời gian tập luyện, cũng như chế độ ăn trên tỉ lệ phần trăm tương đối của carbohydrate và chất béo được sử dụng tạo năng lượng ở cơ.

Các chất dinh dưỡng đượcsử dụng trong hoạt động cơ Ngoài việc sử dụng một lượng lớn carbohydrate bởi các cơ khi tập luyện, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của tập luyện, cơ sử dụng một lượng lớn các chất béo thành năng lượng dưới hình thức của các axit béo và axit acetoacetic, cũng như (một mức độ ít hơn nhiều) protein dưới hình thức của các axit amin. Trong thực tế, ngay cả trong những điều kiện tốt nhất, trong các sự kiện thể thao mà kéo dài hơn 4-5 giờ, dự trữ glycogen của cơ trở nên gần như hoàn toàn cạn kiệt và ít được sử dụng hơn cho sinh lực co cơ. Thay vào đó, các cơ bắp bây giờ phụ thuộc vào năng lượng từ các nguồn khác, chủ yếu là từ chất béo.

Hình cho thấy việc sử dụng tương đối carbohydrates và chất béo cho năng lượng trong quá trình tập luyện đầy đủ kéo dài dưới ba điều kiện chế độ ăn uống: một chế độ ăn giàu carbohydrate, một chế độ ăn uống hỗn hợp, và một chế độ ăn giàu chất béo. Lưu ý rằng hầu hết năng lượng được lấy từ carbohydrate trong vài giây đầu hoặc vài phút tập luyện , nhưng tại thời điểm kiệt sức, 60-85 % năng lượng đang được lấy từ chất béo hơn là carbohydrate.

Hình. Hiệu suất xấp xỉ của tập luyện có kháng trở lên việc tăng sức mạnh cơ trong 10 tuần

Không phải tất cả các năng lượng lấy từ carbohydrate đến từ glycogen dự trữ trong cơ . Trong thực tế, một lượng lớn glycogen được dự trữ trong gan nhiều như trong cơ, và glycogen này có thể được giải phóng vào máu dưới dạng glucose và sau đó được đưa vào cơ như một nguồn năng lượng. Ngoài ra, các dung dịch glucose cho một vận động viên để uống trong sự kiện thể thao có thể cung cấp khoảng 30 đến 40 % năng lượng cần thiết trong các sự kiện kéo dài như cuộc đua marathon.

Vì vậy, nếu glycogen trong cơ và glucose máu có sẵn, chúng là những lựa chọn về chất dinh dưỡng năng lượng cho hoạt động cơ mãnh liệt. Mặc dù vậy, đối với một sự kiện độ bền lâu dài, người ta có thể mong đợi chất béo để cung cấp hơn 50% năng lượng cần thiết sau khoảng 3-4 giờ đầu.